[논문]AlN 압전 진동형 마이크로 에너지 하베스터 설계 및 분석

이병철; 정귀상

doi:10.4313/jkem.2010.23.5.424

AlN 압전 진동형 마이크로 에너지 하베스터 설계 및 분석
Design and Analysis of AlN Piezoelectric Micro Energy Harvester Based on Vibration 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.23 no.5, 2010년, pp.424 - 428

이병철 (울산대학교 전기전자정보시스템공학부) , 정귀상 (울산대학교 전기전자정보시스템공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes the design and analysis of AlN piezoelectric micro energy harvester. The harvester was designed to convert ambient vibration energy to electrical power as a AlN piezoelectric material compatible with CMOS (complementary metal oxide semiconductor) process. To cut off the leakage current, AlN was used as the insulating layer. Also, Mo was used for the excellent c-axis crystal growth as the bottom electrode. The AlN harvester which it has the low operating frequency was designed by using the ANSYS FEA (finite element analysis). From the simulation results, the resonance frequency of designed model is about 360 Hz and analyzed the bending mode, displacement and expectation output.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 AlN을 압전물질로 사용하여 CMOS 공정과의 높은 호환성과 집적화가 가능한 AlN 압전 에너지 하베스터를 설계하였다. 또한, 수학적 모델링과 ANSYS FEA (finite element analysis)를 적용하여 설계한 MEMS용 에너지 하베스터의 예상 출력 및 모드별 동작특성을 분석하였다.
본 연구에서는 CMOS 공정과의 호환 및 집적화가 가능한 MEMS형 마이크로 에너지 하베스터를 제작하기 위해 AlN을 압전 물질로 사용하여 에너지 하베스터를 설계하였다. 또한 기존 MEMS형 마이크로 에너지 하베스터보다 고유진동수를 낮추기 위해 켄틸레버 끝단에 집중질량을 부착한 MEMS형 마이크로 에너지 하베스터를 설계한 다음, ANSYS을 이용하여 시스템 특성을 분석했으며 특히, 설계한 MEMS용 에너지 하베스터의 수학적 모델 식을 이용하여 예상 출력을 확인하였다.

가설 설정

600 × 1400 × 10 ㎛³의 멤브레인 크기와 800 × 1400 × 500 ㎛³의 집중질량을 갖는 AlN 압전 마이크로 하베스터는 12200개의 절점과 2500개의 요소로 구성되었다. 경계 조건은 켄틸레버의 한쪽 단이 고정된 상태로 가정하였으며 ANSYS를 이용하여 모드해석 한 결과 고유진동수는 1차 모드에서 약 360 Hz임을 알 수 있다. 집중질량을 부가함으로써 기존 압전 마이크로 하베스터의 고유진동수보다 떨어짐을 알 수 있다.

제안 방법

본 연구에서는 CMOS 공정과의 호환 및 집적화가 가능한 MEMS형 마이크로 에너지 하베스터를 제작하기 위해 AlN을 압전 물질로 사용하여 에너지 하베스터를 설계하였다. 또한 기존 MEMS형 마이크로 에너지 하베스터보다 고유진동수를 낮추기 위해 켄틸레버 끝단에 집중질량을 부착한 MEMS형 마이크로 에너지 하베스터를 설계한 다음, ANSYS을 이용하여 시스템 특성을 분석했으며 특히, 설계한 MEMS용 에너지 하베스터의 수학적 모델 식을 이용하여 예상 출력을 확인하였다. FEA한 결과, 설계한 진동형 AlN 압전 마이크로 에너지 하베스터가 360 Hz의 낮은 동작 주파수에서 6.
이러한 문제점을 보완하기 위하여 Mo을 하부전극으로 사용하여 AlN이 우수한 c-축 배양성을 가지도록 설계하였다. 또한, SOI 기판위에 절연특성이 뛰어난 AlN을 증착하여 압전 박막으로부터 발생되는 누설전류를 차단했다 [6]. 그림 1은 설계한 AlN 압전 마이크로 에너지 하베스터의 도식적 구조를 나타낸 것이며 FEA을 위해 입력한 물성치는 표 1과 같다 [7].
본 연구에서는 AlN을 압전물질로 사용하여 CMOS 공정과의 높은 호환성과 집적화가 가능한 AlN 압전 에너지 하베스터를 설계하였다. 또한, 수학적 모델링과 ANSYS FEA (finite element analysis)를 적용하여 설계한 MEMS용 에너지 하베스터의 예상 출력 및 모드별 동작특성을 분석하였다.
다층 켄틸레버 구조물의 경우, free 메쉬로 제작할 경우에 층간 메쉬가 매우 조밀하게 형성되어 해석에 있어 많은 어려움이 있다. 본 연구에서는 구간내의 메쉬 수를 고정하는 mapped 메쉬 방법을 사용하여 일정한 형태의 메쉬를 균일하게 형성하여 해석시 발생하는 오차와 소요되는 시간을 줄였다.
유한요소 모델링에 있어서 압전체에 가해주는 응력과 발생하는 전압의 요소 타입별 에러를 줄이기 위해 Solid 95의 요소 타입을 사용하였다. Solid 45의 경우, 최소 13%에서 최대 57%까지의 평균 에러가 발생하는 것에 비해 Solid 95 요소는 에러율이 10% 미만으로 구조물 해석에서 발생할 수 있는 오류를 줄일 수 있다[8].
AlN 압전 하베스터 설계에 있어 Si 기판위에 AlN 박막을 증착할 경우, 두 물질 간에 격자 부정합(19%)과 열팽창 계수 (17%)가 매우 커 AlN 박막의 결정성장을 약화시키며 압전특성을 감소시키는 요인이 된다[5]. 이러한 문제점을 보완하기 위하여 Mo을 하부전극으로 사용하여 AlN이 우수한 c-축 배양성을 가지도록 설계하였다. 또한, SOI 기판위에 절연특성이 뛰어난 AlN을 증착하여 압전 박막으로부터 발생되는 누설전류를 차단했다 [6].

대상 데이터

600 × 1400 × 10 ㎛3의 멤브레인 크기와 800 × 1400 × 500 ㎛3의 집중질량을 갖는 AlN 압전 마이크로 하베스터는 12200개의 절점과 2500개의 요소로 구성되었다.

성능/효과

또한 기존 MEMS형 마이크로 에너지 하베스터보다 고유진동수를 낮추기 위해 켄틸레버 끝단에 집중질량을 부착한 MEMS형 마이크로 에너지 하베스터를 설계한 다음, ANSYS을 이용하여 시스템 특성을 분석했으며 특히, 설계한 MEMS용 에너지 하베스터의 수학적 모델 식을 이용하여 예상 출력을 확인하였다. FEA한 결과, 설계한 진동형 AlN 압전 마이크로 에너지 하베스터가 360 Hz의 낮은 동작 주파수에서 6.6 nW 전력이 출력됨을 알 수 있었다.

후속연구

향후 제작과 출력 검증을 통해 CMOS 공정과 높은 호환성을 가지며 집적화가 가능하고 인체에 무해한 MEMS용 저전력형 센서노드의 전원공급원으로 사용될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MEMS형 압전 변환기에 사용되는 대표적인 압전물질로는 무엇이 있는가?	MEMS형 압전 변환기에 사용되는 대표적인 압전 물질로는 PZT, AlN, ZnO 등이 있다 [2]. 그중 PZT는 가장 높은 압전 상수를 가지며 널리 사용되지만, 취성이 강하여 부서질 수 있으며 Pb 성분을 함유하고 있어 인체용 전원으로 사용이 불가능하다.
	PZT의 특징은 무엇인가?	MEMS형 압전 변환기에 사용되는 대표적인 압전 물질로는 PZT, AlN, ZnO 등이 있다 [2]. 그중 PZT는 가장 높은 압전 상수를 가지며 널리 사용되지만, 취성이 강하여 부서질 수 있으며 Pb 성분을 함유하고 있어 인체용 전원으로 사용이 불가능하다. ZnO의 경우에는 증착법이 다양하며 비교적 큰 압전 상수를 가지고 있지만, 절연특성이 좋지 않으며 비선형 저항 특성으로 인해 박막형의 변환기로 제작이 어렵다.
	AIN 압전 하베스터 설계에 있어 Mo를 하부전극으로 사용하여 c-축 배양성을 가지도록 설계한 이유는 무엇인가?	AlN 압전 하베스터 설계에 있어 Si 기판위에 AlN 박막을 증착할 경우, 두 물질 간에 격자 부정합(19%)과 열팽창 계수 (17%)가 매우 커 AlN 박막의 결정성장을 약화시키며 압전특성을 감소시키는 요인이 된다[5]. 이러한 문제점을 보완하기 위하여 Mo을 하부전극으로 사용하여 AlN이 우수한 c-축 배양성을 가지도록 설계하였다.

참고문헌 (9)

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Z. C. Qiu, H. X. Wu, and D. Zhang, Thin-Walled Struct. 47, 836 (2009).

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